一种高效在线浸提获取土壤溶液的取样方法

本发明属于环境监测
技术领域：
，具体涉及一种高效在线浸提获取土壤溶液的取样方法。
背景技术：
：土壤重金属污染是指由于人类活动导致土壤中的微量金属元素在土壤中的含量超过背景值，过量沉积而引起的含量过高，统称为土壤重金属污染。污染土壤的重金属主要包括汞(hg)、镉(cd)、铅(pb)、铬(cr)和类金属砷(as)等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌(zn)、铜(cu)、镍(ni)等元素。重金属污染物在土壤中移动性差，滞留时间长、不能被微生物降解；并可经水、植物等介质最终影响人类的健康。检测土壤中重金属离子的含量对于监测土壤质量具有重要意义，已成为环境检验、作物种植等场合中的必检环节。土壤中重金属离子含量的检测样本均为土壤溶液。土壤溶液样本的获取方式多种多样，比如：采用“田”字采样，现场采样后再将样本带进实验室，高温杀菌微波消解后得到土壤溶液样本，但这种方法费时费力，微波消解需要用到强酸强碱，对操作人员的技术要求较大，危险系数高；除此之外，也有研究人员在原位土壤深层安装离子交换树脂，通过长时间(>7天)的交换和观察，确定离子浓度，这种方法适合长期研究离子迁移的规律，不适合即时检测领域。重金属离子去除淋洗，是指运用试剂(浸提剂)与土壤中的重金属作用，形成溶解性的重金属离子或金属络合物，从而将重金属从土壤中分离出来，可获得含有重金属离子的土壤溶液。但是现有的重金属离子去除淋洗装置必须在实验室进行，操作限制条件较多，所需浸提剂用量大，操作不便捷；此外，现有的浸提试剂对土壤中重金属离子的分离率和提取效率较低，且容易导致二次污染。因此，如何高效快速且环保的获取土壤溶液是亟待解决的技术难题。技术实现要素：本发明的目的是提供一种高效在线浸提获取土壤溶液的取样方法，通过对浸提剂和浸提装置两个方面进行同时改进，能够脱离实验室环境，快速便捷地取得土壤溶液样本，提高土壤中重金属离子检测效率。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高效在线浸提获取土壤溶液的取样方法，步骤如下：将硼砂加入至氢氧化钠溶液中配置得到碱性缓冲溶液；将螯合剂加入至柠檬酸钠溶液中得到混合溶液；向混合溶液中加入生物表面活性剂、碱性缓冲溶液，混合均匀后得到浸提剂；硼砂具有酸性低、环境友好型的特点，由此制得的碱性缓冲溶液(简称bgs，backgroundsolution)可以保证后续浸提剂成分稳定，反应有效进行；柠檬酸钠是环境友好型的络合剂，排放后不会造成二次污染，针对土壤中的cu2+、ca2+、zn2+等具有良好的络合效果，可以弥补na2edta的络合范围，且在na2edta的最优络合条件下，柠檬酸钠是有机酸络合剂中对金属的络合能力最强的一种；将浸提剂与待检测土壤样本进行混合，通过浸提剂对土壤的浸渍作用，将待检测土壤样本中的重金属元素分离至浸提剂中，得到土壤溶液。作为优选的技术方案，所述碱性缓冲溶液的ph值为9-10；所述螯合剂为na2edta、dtpa、dtpma、edtpma、pbtca中的一种；所述生物表面活性剂为鼠李糖脂、纤维二糖脂、海藻糖脂中的一种。表面活性剂具有亲水基和亲油基，能够促进浸提液和土壤胶体充分接触并发生络合反应。其中鼠李糖脂为最优选择的生物表面活性剂，因为其在自然土壤中也广为存在，不会对土壤造成二次污染，且其生产成本低、适合批量应用。进一步优选的，所述生物表面活性剂与混合溶液的质量比为1:1000。作为优选的技术方案，所述混合均匀的方法为超声波震荡。超声波震荡是指利用超声波的高频声波产生振荡,利用超声波的空化效应，让溶质快速溶解，并可排除浸提液中的气体。作为优选的技术方案，将浸提剂与待检测土壤样本进行混合是在取样装置中进行的，所述取样装置包括支撑架，所述支撑架上固定有真空腔体，所述真空腔体的一端通过连接组件连接有储存室和土壤样品采集盒，所述真空腔体的另一端通过真空管道连接有真空泵；所述连接组件包括第一三通接头、第二三通接头和吸液头；所述第一三通接头的第一端通过第一管道与真空腔体的一端连接；所述第一三通接头的第二端通过第二管道与吸液头的一端连接，所述吸液头的另一端放置在土壤样品采集盒内；所述第一三通接头的第三端通过第三管道与第二三通接头的第一端连接；所述第二三通接头的第二端通过第四管道与土壤样品采集盒连接；所述第二三通接头的第三端通过第五管道与储存室连接；所述第二管道上安装有第一单向阀，所述第三管道上安装有第二单向阀；所述第四管道上安装有第一电磁阀，所述第五管道上安装有第二电磁阀；所述土壤样品采集盒连接有搅拌器，所述搅拌器的搅拌头伸入土壤样品采集盒的内部。作为优选的技术方案，所述真空管道包括第一真空管道和第二真空管道，所述第一真空管道上安装有第三电磁阀，所述第二真空管道上安装有第四电磁阀；所述第一真空管道的一端与真空腔体连接，所述第一真空管道的另一端通过第三三通接头与真空泵连接，所述第三三通接头的自由端安装有第五电磁阀；所述第二真空管道的一端与真空腔体连接，所述第二真空管道的另一端通过第四三通接头与真空泵连接，所述第四三通接头的自由端安装有第六电磁阀。通过将真空管道分为第一真空管道和第二真空管道，并设置相应的电磁阀，当装置处于清洗工作状态时，打开电磁阀，清洗液可以直接从第三三通接头、第四三通接头的自由端排出，提高清洗效率。作为优选的技术方案，所述搅拌器的外部包覆有硅胶套；硅胶套具有一定的缓冲作用，通过在搅拌器的外部包覆硅胶套可以避免搅拌器与土壤样品采集盒直接接触，对土壤样品采集盒具有一定的保护作用。所述搅拌器的搅拌头为金属t型搅拌头。作为优选的技术方案，所述支撑架上还安装有用于供电的电池组，所述电池组与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀电性连接。作为优选的技术方案，所述吸液头为聚酯膜吸液头，所述聚酯膜吸液头的内部套设有pvc细管；所述聚酯膜吸液头的一端采用ab胶粘合封口，所述聚酯膜吸液头的另一端通过鲁尔接头与第二管道连接。由于聚酯膜过于柔软，为提高其柔韧性，故在其内部套设pvc细管，使其形成线状的吸头。在使用时，将聚酯膜吸液头弯曲放置在土壤样品采集盒的底部，保证液面将它完全浸没，提高吸头使用效率。作为优选的技术方案，所述支撑架包括工作平台和竖直固定在工作平台底部的支撑腿。所述真空泵采用卡默尔12v无刷电机真空泵；所述真空腔体的形状为柱状；所述土壤样品采集盒的材质为pvc塑料；所述真空腔体的材质为医用级pp材料。上述上述电磁阀、单向阀、电池组等均为市购产品，其具体的工作原理在此不作赘述。各个电磁阀的开、关可通过手动开关，也可通过控制系统进行自动控制，这两方式均是本领域常规的控制方式，在此处不作赘述。与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过对浸提剂和浸提装置两个方面进行同时改进，能够脱离实验室环境，快速便捷地取得土壤溶液样本，提高土壤中重金属离子检测效率。在浸提剂方面，相比于传统的单独的na2edta浸提剂或有机酸类浸提剂，本发明提供的浸提剂浸提效果更好；在取样装置方面，本发明提供的取样装置占地空间小、便于移动，能够原地对待检测土样进行溶液采集，无需大型设备和复杂的流程，未经过专业培训的检测人员也能够进行操作，操作简单，且采样周期短，仅需2h-3h即可完成一次采样操作。且本装置可循环利用，当需要对另一处土壤样品进行检测时，清洗装置后即可进行下一次采样。附图说明图1为本发明使用的取样装置的结构示意图一；图2为本发明使用的取样装置的结构示意图二；附图标记：1-支撑架，11-工作平台，12-支撑腿，2-真空腔体，31-第一三通接头，311-第一管道，312-第二管道，313-第三管道，32-第二三通接头，321-第四管道，322-第五管道，33-吸液头，34-第一单向阀，35-第二单向阀，36-第一电磁阀，37-第二电磁阀，4-储存室，5-土壤样品采集盒，6-真空泵，7-搅拌器，81-第一真空管道，82-第二真空管道，83-第三电磁阀，84-第四电磁阀，9-第三三通接头，10-第五电磁阀，11-第四三通接头，12-第六电磁阀，13-硅胶套，14-控制系统，15-电池组，16-鲁尔接头。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。本发明中所述“第一”、“第二”、“第三”等不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。本发明所用的取样装置的结构参考图1，包括支撑架1，所述支撑架1包括工作平台11和竖直固定在工作平台11底部的支撑腿12；所述支撑架1上固定有真空腔体2，所述真空腔体2的一端通过连接组件连接有储存室4和土壤样品采集盒5，储存室4和土壤样品采集盒5均具有一定的密封性，其与各管道的连接处可以采用鲁尔接头进行连接；所述真空腔体2的另一端通过真空管道连接有真空泵6。所述连接组件包括第一三通接头31、第二三通接头32和吸液头33；所述第一三通接头31的第一端通过第一管道311与真空腔体2的一端连接；所述第一三通接头31的第二端通过第二管道312与吸液头33的一端连接，所述吸液头33的另一端放置在土壤样品采集盒5内；所述第一三通接头31的第三端通过第三管道313与第二三通接头32的第一端连接；所述第二三通接头32的第二端通过第四管道321与土壤样品采集盒5连接；所述第二三通接头32的第三端通过第五管道322与储存室4连接；所述第二管道312上安装有第一单向阀34，第一单向阀34的流通方向是从下至上，即液体从下向上流动时可以通过第一单向阀；当液体从上向下流动至第一单向阀时，液体会被第一单向阀截住，无法继续向下流动，所述第三管道313上安装有第二单向阀35，第二单向阀35的流通方向与第一单向阀相反，其是从上至下，即液体从上向下流动时可以通过第二单向阀；当液体从下向上流动至第二单向阀时，液体会被第二单向阀截住，无法继续向上流动；所述第四管道321上安装有第一电磁阀36，所述第五管道322上安装有第二电磁阀37；所述土壤样品采集盒5连接有搅拌器7，所述搅拌器7的搅拌头伸入土壤样品采集盒5的内部。进一步的，所述搅拌器7的外部包覆有硅胶套13，硅胶套13具有一定的缓冲作用，通过在搅拌器7的外部包覆硅胶套13可以避免搅拌器7与土壤样品采集盒5直接接触，对土壤样品采集盒5具有一定的保护作用。进一步的，所述搅拌器7的搅拌头为金属t型搅拌头。所述吸液头33为聚酯膜吸液头，所述聚酯膜吸液头的内部套设有pvc细管；所述聚酯膜吸液头的一端采用ab胶粘合封口，所述聚酯膜吸液头的另一端通过鲁尔接头与第二管道连接。由于聚酯膜过于柔软，为提高其柔韧性，故在其内部套设pvc细管，使其形成线状的吸头。在使用时，将聚酯膜吸液头弯曲放置在土壤样品采集盒的底部，保证液面将它完全浸没，提高吸头使用效率。进一步优选的，所述支撑架1上还安装有控制系统14以及用于供电的电池组15，所述控制系统14与第一电磁阀36、第二电磁阀37、第三电磁阀83、第四电磁阀84、第五电磁阀10、第六电磁阀12电性连接；对于控制系统，本领域的技术人员可根据具体需要选择适当的组件构成；作为优选的，本实施例中控制系统14以lcd1963触摸屏作为交互界面，以stm32f103zet6单片机作为核心控制单元，辅以稳压芯片lm1117以及相关的负载驱动电路mos开关电路，通过控制系统控制装置的运行，可实现自动化控制，提高工作效率。作为取样装置的另一种结构示意图，参考图2，所述真空管道包括第一真空管道81和第二真空管道82，所述第一真空管道81上安装有第三电磁阀83，所述第二真空管道82上安装有第四电磁阀84；所述第一真空管道81的一端与真空腔体2连接，所述第一真空管道81的另一端通过第三三通接头9与真空泵6连接，所述第三三通接头9的自由端安装有第五电磁阀10；所述第二真空管道82的一端与真空腔体2连接，所述第二真空管道82的另一端通过第四三通接头11与真空泵6连接，所述第四三通接头11的自由端安装有第六电磁阀12。通过将真空管道分为第一真空管道81和第二真空管道82，并设置相应的电磁阀，当装置处于清洗工序时，打开相应电磁阀，清洗液可以直接从第三三通接头、第四三通接头的自由端排出，提高清洗效率。利用图1所示的取样装置进行土壤溶液的取样，操作方法如下：首先对取样装置进行清洗，清洗的步骤为：取下吸液头33，将鲁尔接头16接在清洗管道上；然后通过调节真空泵6使真空腔体2内处于负压状态，在真空腔体2中负压的作用下，清洗管道内的清水依次通过第一单向阀34、第二管道312、第一三通接头31、第一管道311进入真空腔体2中，保持2min后；通过调节真空泵6使真空腔体2内处于正压状态，此时位于真空腔体2内的清水由于压强和重力的作用依次从第一管道311、第三管道313、第二单向阀35、第二三通接头32流下，最后分别通过第四管道321、第五管道322流入土壤样品采集盒5和储存室4中。上述清水在流动过程中，可分别对各个管道以及土壤样品采集盒5和储存室4进行冲洗，带走残留在管道内壁上的残留物质；重复上述操作三遍，即清洗三次；清洗完毕后，将鲁尔接头16接在装有浸提剂的管道上，调节真空泵6使真空腔体2中处于负压状态，即可将浸提剂吸入并暂存在真空腔体2中，然后将鲁尔接头16转接到吸液头33上；为了排除吸液头33内的空气，提高整个装置的真空效果，吸液头33在接入鲁尔接头16前，先将其完全放入在浸提剂中进行浸润；将现场采集的土壤样本放入土壤样品采集盒5内，关闭第二电磁阀37，打开第一电磁阀36，然后通过调节真空泵6使真空腔体2内处于正压状态，此时位于真空腔体2内的浸提剂依次从第一管道311、第三管道313、第二单向阀35、第二三通接头32流下，并通过第一电磁阀36进入土壤样品采集盒5内，开启搅拌器7，在搅拌器7的持续搅拌下，土壤样本与浸提剂充分结合，土壤混合态的重金属元素和浸提剂结合从而“被剥离”；然后调节真空泵6使真空腔体2处于负压状态，由于压强差土壤样品采集盒5内的土壤浸提液通过33被吸入至真空腔体2内暂存；然后关闭第一电磁阀36，打开第二电磁阀37，并调节真空泵6使真空腔体2内处于正压状态，此时位于真空腔体2内的土壤浸提液会流入第五管道322中进而进入储存室4内，通过上述步骤即完成土壤浸提液的取样工作。取样结束后，重复上述清洗步骤，对取样装置进行清洗，然后换上新的吸液头33即可继续用于后续检测。实施例作为本发明的实施例，上述取样方法中所用的试剂为本发明提供的浸提剂a，其配置步骤如下：s1、配置0.02mol/l氢氧化钠溶液和0.05mol/l的硼砂溶液，然后取50ml硼砂溶液，向其中逐渐加入0.02mol/l氢氧化钠溶液，每加3ml氢氧化钠溶液测量一次体系ph值，使硼砂和氢氧化钠的混合溶液的ph＝9.5，得到碱性缓冲溶液；s2、将150g柠檬酸钠晶体加入去离子水200ml中，利用可调超声波清洗器震荡搅拌，功率为500w，温度为50℃，震荡搅拌时间10min直至其不再溶解后，得到过饱和混合溶液，取出，冷却至室温约1h后，离心分离去除固体物质，得到常温下浓度约为2.3mol/l的饱和柠檬酸钠溶液，命名为浸提剂b；s3、将30gna2edta粉末加入200ml浸提剂b中，利用可调超声波清洗器震荡搅拌，功率为700w，温度为50℃，震荡搅拌时间10min直至na2edta粉末不再溶解后，得到过饱和混合溶液，取出，冷却至室温约1h后，离心分离去除固体物质后得到常温下饱和的na2edta和柠檬酸钠混合溶液，命名为浸提剂c；s4、向浸提剂c中加入鼠李糖脂，鼠李糖脂与浸提剂c的质量比为1:1000，超声波震荡后，得到的溶液即为浸提剂d；s5、向浸提剂d中滴加步骤s1中制得的碱性缓冲溶液，调节体系ph值为9，得到的溶液命名为浸提剂a。对比例作为对比，配置na2edta的水溶液作为对比浸提剂，配置方法为：将上述实施例步骤s3中的“200ml浸提剂b”用“200ml去离子水”替换，其他操作条件保持不变，即可配置得到na2edta的水溶液，命名为浸提剂e。对实施例中配制的浸提剂进行土壤处理，检测其对金属离子的浸出率，并以浸提剂b、浸提剂c、浸提剂d、浸提剂e进行对比实验。其中：我们针对河北潮土中的铜含量进行浸提剂配方检测试验，河北潮土是中原地区代表性土壤，其基本理化性质如下表1所示。表1.河北潮土基本理化性质针对cu的浸提率的试验方法为：浸渍试验中，保持待检测的土壤样本与所用浸提剂的固液比为1:8，浸提时间6小时，浸出液利用原子吸收等离子体光谱法进行测量，对cu的浸出率进行统计分析，结果如表2所示。表2.五种浸提剂的浸提率均值比较浸提剂种类浸提剂e浸提剂b浸提剂c浸提剂d浸提剂acu的浸出率(％)36.727.2742.9043.7546.48从表2可看出，na2edta和柠檬酸钠都是优秀的重金属浸提剂，他们单独使用时可在一定程度上将土壤中的cu浸出。当两者共同使用可以达到协同作用，提高浸提率。增加表面活性剂鼠李糖脂，可以进一步提高浸提率，增加碱性缓冲液之后，浸提率大大提升，这是因为随着反应进行，碱性减弱，浸提最佳条件被破坏，导致效率降低。综上所述，在具有碱性缓冲溶液的环境中，两种浸提剂过饱和混合使用时，添加表面活性剂鼠李糖脂时能够使浸提剂的浸提率达到最佳。当前第1页12